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        智能家用無線風(fēng)扇控制系統(tǒng)研究

        2020-07-23 21:02:36陳炳飛
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2020年7期
        關(guān)鍵詞:手機app溫度控制

        陳炳飛

        摘 要:針對傳統(tǒng)電風(fēng)扇功能單一,滿足不了人們對家用電器智能化需求的問題,文中對實現(xiàn)電風(fēng)扇控制智能化進行了研究。該系統(tǒng)以單片機為風(fēng)扇控制器的主控芯片,設(shè)計溫度采集模塊和顯示模塊來對周圍環(huán)境實時采集并顯示;設(shè)計串口通信模塊來實現(xiàn)手機與單片機的通信;設(shè)計轉(zhuǎn)速控制模塊來實現(xiàn)對風(fēng)扇的智能化控制。用戶可通過手機APP對風(fēng)扇實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制、定時關(guān)閉和溫度控制等功能。經(jīng)過測試,該系統(tǒng)性能穩(wěn)定,實現(xiàn)了對風(fēng)扇的無線智能化控制。

        關(guān)鍵詞:無線電風(fēng)扇;無線控制;溫度控制;轉(zhuǎn)速控制;智能家電;手機APP

        中圖分類號:TP29文獻標(biāo)識碼:A文章編號:2095-1302(2020)07-0-04

        0 引 言

        雖然隨著人們生活水平的提高和家用電器技術(shù)的快速發(fā)展,電風(fēng)扇慢慢淡出人們的視野,但有實驗表明,電風(fēng)扇吹出的自然風(fēng)比空調(diào)吹出來的冷風(fēng)是更加舒適的。所以,對于家里有兒童、老人以及一些體質(zhì)較差的人的家庭來說,電風(fēng)扇還是他們納涼的首選[1]。

        傳統(tǒng)的電風(fēng)扇只能通過遙控或手動操縱機械開關(guān)對電風(fēng)扇進行控制[2-3],缺乏智能終端平臺和智能控制的研究設(shè)計。隨著社會經(jīng)濟與科技的快速發(fā)展,人們的生活水平也飛速提高,實現(xiàn)用移動智能終端對電風(fēng)扇的控制,對人們生活質(zhì)量的提升具有很大意義[4-5]。特別在日常生活中,很多家庭會擔(dān)心小朋友跑到電風(fēng)扇旁邊,用手觸碰風(fēng)扇葉,或擔(dān)心頭發(fā)被風(fēng)扇轉(zhuǎn)進去,因此有人選擇將電風(fēng)扇放置在高處??僧?dāng)人們將風(fēng)扇置于高處時,對風(fēng)扇的開關(guān)及轉(zhuǎn)速控制就變得困難,而選用智能終端對電風(fēng)扇進行控制便成為大多數(shù)用戶的首選[6-8]。

        本文針對傳統(tǒng)電風(fēng)扇存在功能單一等不足,融合了人們生活對智能化的需求,設(shè)計了一款智能家用無線風(fēng)扇控制系統(tǒng)。用戶只需直接使用手機APP就可以實現(xiàn)控制電風(fēng)扇的開關(guān)、轉(zhuǎn)速、定時和溫控等功能。

        1 總體設(shè)計

        本智能無線風(fēng)扇控制系統(tǒng)通過藍牙通信方式使手機和風(fēng)扇控制器建立連接,實現(xiàn)手機遠程無線對風(fēng)扇的控制,系統(tǒng)整體框架如圖1所示。手機對風(fēng)扇的控制包括風(fēng)扇開關(guān)功能、轉(zhuǎn)速控制、定時關(guān)閉和溫控功能。其中,轉(zhuǎn)速控制主要根據(jù)人體舒適性設(shè)計有四個分級檔位,實現(xiàn)對風(fēng)扇風(fēng)量大小的控制。定時關(guān)閉功能,即用戶可在手機設(shè)置一個時間,到時間點自動發(fā)送指令來關(guān)閉風(fēng)扇。溫控功能主要利用溫度傳感器實現(xiàn)對周圍環(huán)境進行一個實時的溫度數(shù)據(jù)采集,并通過溫度高低來控制風(fēng)扇的風(fēng)量。將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過液晶顯示,讓用戶可隨時了解當(dāng)前的溫度。溫控功能避免用戶在半夜還需要關(guān)或者調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速,讓用戶可以更加舒適的睡覺,既節(jié)約用電,又貼心。風(fēng)扇控制器以單片機為主控芯片,接收手機的具體指令來控制電風(fēng)扇。單片機具有性能可靠和成本低等優(yōu)點,與移動終端相結(jié)合,實現(xiàn)對電風(fēng)扇的智能化控制,具有非常廣泛的市場應(yīng)用價值。

        2 硬件設(shè)計

        本系統(tǒng)的風(fēng)扇控制器選用的是不僅價格低廉、功耗低,而且應(yīng)用廣泛的51單片機,型號為STC89C52。該芯片具有豐富的接口,是一款適合民用產(chǎn)品開發(fā)和學(xué)習(xí)的控制器。本產(chǎn)品的硬件系統(tǒng)設(shè)計包括由時鐘電路和復(fù)位電路組成的最小系統(tǒng)設(shè)計和電源電路設(shè)計,還包括4個功能模塊,即溫度采集模塊、顯示模塊、串口轉(zhuǎn)藍牙模塊和風(fēng)扇驅(qū)動電路模塊。系統(tǒng)硬件的總體框架如圖2所示。

        2.1 溫度采集模塊設(shè)計

        溫度采集模塊使用DS18B20傳感器,該傳感器具有價格便宜、數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)引腳少等優(yōu)點,與單片機的硬件連接,如圖3所示。該傳感器采用單總線傳輸技術(shù),即單條信號線既可以作為時鐘信號又可以傳輸數(shù)據(jù)。

        使用該模塊時,需先對它初始化。初始化完成后,單片機發(fā)送指令0xCC給該傳感器,啟動溫度轉(zhuǎn)換。接著重新初始化DS18B20,再發(fā)送指令0xBE,讀取溫度值。

        2.2 風(fēng)扇驅(qū)動模塊設(shè)計

        家用電風(fēng)扇大多使用可控硅改變交流電的導(dǎo)通角,從而改變電風(fēng)扇兩端的有效電壓實現(xiàn)電風(fēng)扇調(diào)速。本文用兩線直流風(fēng)扇來模擬家用電風(fēng)扇,通過改變風(fēng)扇的輸入電壓來改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。風(fēng)扇的驅(qū)動電路如圖4所示。三極管、二極管、電感和電容組成了BUCK電路,單片機輸出PWM控制三極管的通斷,便可以改變輸出電壓。輸出電壓和輸入電壓成一定比例關(guān)系,即Uo=(Ton/T)Ui。其中,Ton為PWM的導(dǎo)通時間,T為PWM周期。保持PWM周期T不變,只要改變導(dǎo)通時間Ton,就可改變風(fēng)扇兩端的電壓,從而控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。其中,當(dāng)Ton為0時,輸出電壓為0,則關(guān)閉風(fēng)扇。

        2.3 顯示模塊設(shè)計

        風(fēng)扇控制器實時顯示周圍環(huán)境的溫度,便于用戶了解當(dāng)前的環(huán)境。顯示模塊使用LCD1602字符液晶來實時顯示溫度傳感器采集到的周圍環(huán)境溫度。LCD1602可顯示兩行,每行可顯示16個字符,具有實用性高和操作簡單等優(yōu)點,與單片機的硬件連接如圖5所示。RS為數(shù)據(jù)或命令選擇引腳,RW為讀寫選擇引腳,E為使能信號引腳,D0~D7為數(shù)據(jù)或命令輸入引腳。使用LCD1602液晶顯示時,先對它進行初始化,接著輸入命令確定要顯示的位置,再將要顯示的字符傳輸給LCD1602即可顯示。

        2.4 串口轉(zhuǎn)藍牙模塊設(shè)計

        手機和風(fēng)扇控制器通過藍牙通信方式進行無線連接,由于風(fēng)扇控制器采用的51單片機主控芯片沒有藍牙接口,故需外接串口轉(zhuǎn)藍牙模塊,實現(xiàn)接口擴展。本系統(tǒng)使用HC-05模塊實現(xiàn)藍牙功能,該模塊與單片機的連接如圖6所示。單片機與該模塊通信時采用透傳模式,該模塊會將單片機的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成藍牙數(shù)據(jù)進行傳輸。

        3 軟件設(shè)計

        本產(chǎn)品的軟件設(shè)計主要包括風(fēng)扇控制器端單片機軟件設(shè)計和手機控制端的APP設(shè)計。

        3.1 單片機軟件設(shè)計

        單片機軟件設(shè)計包括溫度采集、LCD顯示、串口數(shù)據(jù)通信和控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,工作流程如圖7所示。首先對單片機各個模塊進行初始化,如初始化串口、產(chǎn)生PWM的定時器、顯示模塊LCD1602和單總線溫度采集模塊等。

        接著,判斷串口是否收到指令第一個字節(jié),如果沒有收到,則表明無手機端的控制命令;如果收到指令第一個字節(jié),則有手機端的命令發(fā)送過來,開始對指令幀進行接收,每收到一個字節(jié)都判斷一幀指令是否接收完成,如果一幀指令沒有接收完成,繼續(xù)接收直到完整收到一幀指令幀。當(dāng)完整接收到一幀指令后,對指令進行解析。手機對風(fēng)扇控制的指令有:開啟風(fēng)扇、關(guān)閉風(fēng)扇、定時關(guān)閉風(fēng)扇、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制和溫度控制。根據(jù)解析到的不同指令,通過調(diào)節(jié)輸出的PWM占空比來控制風(fēng)扇。

        最后,對溫度數(shù)據(jù)進行采集和顯示。由于溫濕度傳感器采用單總線技術(shù),用I/O口模擬單總線時序來對溫度數(shù)據(jù)進行采集。在LCD1602上顯示時,需先指定要顯示的位置坐標(biāo),再將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字符數(shù)據(jù)顯示。

        3.2 手機APP軟件設(shè)計

        手機通過藍牙與單片機進行連接通信,所以手機APP軟件開發(fā)針對Android藍牙通信開發(fā)[9-10]。手機端APP軟件設(shè)計流程如圖8所示。首先,需聲明添加藍牙權(quán)限Bluetooth,才能進行藍牙通信。獲取BluetoothAdapter對象,該對象是移動設(shè)備本地藍牙的適配器,包含了對藍牙操作的方法。通過BluetoothAdapter對象來判斷該手機是否支持藍牙,如果不支持,退出程序;如果支持,那么開啟藍牙。獲取之前已經(jīng)匹配過的設(shè)備,按照列表顯示。如果為新設(shè)備,則調(diào)用startDiscovery()方法搜索設(shè)備。搜索到設(shè)備之后,開始配對設(shè)備。

        如果配對成功之后,則建立單片機與手機的藍牙通信。主程序接收按鈕的觸發(fā)消息,如果有用戶控制風(fēng)扇按鈕被按下,則將指令寫入數(shù)據(jù)線程并發(fā)送給單片機。接著等待單片機的接收反饋,如果手機有收到接收反饋,則界面提示設(shè)置成功,如果超時未收到接收反饋,則提示設(shè)置失敗,用戶可重新設(shè)置。用戶控制風(fēng)扇的按鈕有開啟風(fēng)扇按鈕、關(guān)閉風(fēng)扇按鈕、風(fēng)扇一檔按鈕、風(fēng)扇二檔按鈕、風(fēng)扇三檔按鈕、定時關(guān)閉按鈕和溫控按鈕。

        3.3 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

        為了保證通信的準(zhǔn)確性,為手機端和單片機端之間通信定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議,數(shù)據(jù)幀主要包括幀頭、長度、類型、數(shù)據(jù)和校驗。

        手機端的用戶指令如圖9所示,共有7條指令,分別為開啟風(fēng)扇指令、關(guān)閉風(fēng)扇指令、風(fēng)扇一檔指令、風(fēng)扇二檔指令、風(fēng)扇三檔指令、定時關(guān)閉指令和溫度控制指令。

        風(fēng)扇控制器接收到手機的控制命令之后,對風(fēng)扇進行控制,并回復(fù)一幀數(shù)據(jù)給手機,表明已收到指令并已開始執(zhí)行。指令回復(fù)幀如圖10所示。

        4 測 試

        對單片機系統(tǒng)上電,打開手機APP連接藍牙,如圖11所示。LCD1602模塊實時顯示采集的溫度,風(fēng)扇一開始處理關(guān)閉狀態(tài)。通過操作手機APP按鈕,即可實現(xiàn)對風(fēng)扇的無線控制。如對風(fēng)扇進行溫度控制,在手機上設(shè)定好溫度,用戶點擊APP溫控按鈕,將命令發(fā)送給單片機,單片機接收到指令之后,則根據(jù)采集到的溫度實時調(diào)節(jié)風(fēng)扇輸出的風(fēng)量。

        5 結(jié) 語

        本文闡述了對家用電風(fēng)扇智能化的研究,滿足人們使用移動設(shè)備控制電風(fēng)扇的需求。用戶可通過手機軟件無線控制電風(fēng)扇,控制風(fēng)扇的開啟關(guān)閉、轉(zhuǎn)速、定時和溫度。并經(jīng)過實際測試,結(jié)果表明該產(chǎn)品性能穩(wěn)定,實現(xiàn)了無線控制的功能,對家用電風(fēng)扇的智能化研究具有重要意義。

        參考文獻

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